LNG载货汽车进气系统：设计与优化

进气系统分为发动机进气部件和整车进气部件两大部分。

1.发动机进气部件

LNG发动机进、排气体流动过程示意如图3-37所示。

图3-37 WP10NG336E40LNG发动机进、排气体流动过程示意

进气部件是汽车发动机的关键部件之一。发动机性能对进气量流动特性十分敏感，同时也会影响到汽车的经济性、动力性和有害物排放的水平。近年来对发动机性能更高的要求也表现为如何提高发动机的进气量，促使发动机的燃烧更加充分完全。而进气管部件的设计是减小进气阻力、增大进气流量的重要手段之一。重型载货汽车发动机进气部件结构分解如图3-38所示。

图3-38 发动机进气部件结构分解

1—管子总成 2、5—软管卡箍 3—硅橡胶软管Ⅰ 4—压气机进气管 6—硅橡胶软管Ⅱ 7—连接弯管 8、15—卡箍 9—密封圈 10—内六角螺钉 11—拉紧销 12—张紧销 13、22—六角头螺栓 14—调整垫圈 16—六角头螺塞 17—密封垫圈 18—进气管总成 19—进气管垫片 20—波形弹性垫圈 21—进气管紧固螺栓

发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率，称为升功率，增大升功率是提高发动机功率有效的方法。而加大进气量也是提高发动机功率的一种有效方法。载货汽车发动机常采用强制吸气的方式，用增大气体密度的方法来提高进气量，如采用涡轮增压来提高进气量、提高进气的速度、减小进气阻力，以提高气体的流动速度来提高单位时间内的进气量，以此保证发动机燃烧做功的需要。

2.整车进气部件

整车进气部件按其功能分为进气部件和中冷器部件两大部分。

把空气或空气与LNG的混合气体导入发动机气缸的零部件集合体，称为发动机进气系统。发动机进气系统的合理性直接影响到发动机的性能、寿命，进而影响LNG载货汽车的动力性能、经济性能及环保性能。

进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气，进气系统设计的优劣、安装是否可靠，将直接影响LNG载货汽车性能的发挥，工作的稳定性、可靠性，甚至会影响到其使用寿命。

（1）进气部件 进气部件由空气滤清器、空滤器支架、进气钢管、进气波纹管、进气橡胶管、进气硅胶管、卡箍及连接螺栓、螺母和垫圈等零部件组成。图3-39所示是JNP4250NLNG载货汽车进气部件结构示意。

图3-39 JNP4250NLNG载货汽车进气部件结构示意

1—T形抱箍 2、4、7、19—六角头螺栓、平垫圈、弹性垫圈 3—进气管支架Ⅰ 5—硅橡胶软管Ⅰ 6—进气管支架Ⅱ 8—进气波纹管 9—卡箍Ⅰ 10—连接软管 11—进气管 12—卡箍Ⅱ 13—硅橡胶软管Ⅱ 14—进气钢管 15—进气钢管卡箍 16—进气管支架Ⅲ 17—进气橡胶管 18—进气流量接头 20—空气滤清器支架 21—进气管支架Ⅳ 22—卡箍Ⅲ 23—进气管座 24—排尘口 25—进气连接软管

1）进气部件的作用。

图3-40 普通双级空气滤清器结构分解

1—粗滤芯 2、9—紧固螺母 3—底座 4—密封垫 5—螺旋旋流片 6—锁紧保护帽 7—密封毛毡垫 8—安全滤芯 10—排尘阀 1—卡扣 12—铭牌

图3-41 沙漠双级空气滤清器

①构成发动机进气通道：将进入进气总管的空气通过进气歧管分别引入发动机各个气缸。

②过滤作用：通过空气滤清器一级滤芯、二级滤芯过滤掉吸入空气中的灰尘，防止发动机磨损。

③起消声降噪、增压作用：连同进气管路一起，利用谐振原理起到增压效果，以提高充气系数。

④排水作用：在进气的同时，通过进气通道上的旋流叶片将进气中进入的水分引入排水口，将空气中的水从排水口排出。

⑤计量空气流量作用：将经由进气道流过的空气进行准确计量，通过传感器将发动机进气量多少的信息转换成为电信号输送给ECU，ECU根据发动机进气量适时调整LNG，与汽化后的天然气形成适当比例的混合燃气，以保证最佳空燃比。

2）空气滤清器的结构。根据不同工作环境使用情况，重型载货汽车常用空气滤清器分为普通双级空气滤清器和沙漠空气滤清器两种。

普通双级空气滤清器是通过双级干式滤芯（如纸滤芯）将空气中的杂质分离出来的滤清器，并通过排尘口将杂质排出，如图3-40所示。

重型汽车由于工作环境恶劣，它的空气滤清器必须是双级的。第一级为旋流式预滤器（如叶片环、旋流管等），用于滤除粗大颗粒杂质，过滤效率在80%以上；第二级是微孔纸滤芯（一般称作主滤芯），其过滤效率达99.5%以上。主滤芯之后还有一个安全滤芯，其作用是在安装和更换主滤芯时，或在主滤芯偶然损坏时防止灰尘进入发动机。

沙漠空气滤清器如图3-41所示，它是由多旋流管式预过滤器和纸质滤芯组成的双级干式空滤器，适用于灰尘较大的恶劣工作环境，如重型汽车及矿山工程机械。气体从进气口进入旋流管进行预过滤，大部分灰尘受离心作用被滤出，并通过锥形管道导入储灰盘。预过滤后的气体再经过旋流管内管进入主滤芯，得到进一步过滤。(www.xing528.com)

装沙漠空气滤清器的载货汽车适于在雨雪天气运行。普通纸质空气滤清器在雨雪天气运行时，若进气道进入的雨水不能被排出，将直接被吸人纸质滤清器，造成纸质潮湿，浮在纸质上的尘土会将滤纸的进气孔堵死，造成纸质滤芯的寿命缩短。甚至造成纸质滤芯击穿报废。而沙漠空气滤清器由于旋流管简体位于主滤器简体的下方，由进气道吸入的雨水在旋流管的旋流作用下排出到储灰盘，粗滤后的空气再进入纸滤器从而保护了纸滤芯，延长了沙漠空气滤清器的使用寿命。

装沙漠空气滤清器的载货汽车也同样适于在路况较差，风沙、尘土较大的恶劣地区使用。因旋流管的预过滤效率高达90%以上，能有效减少进入滤纸一侧的灰尘量，减轻滤芯负担，所以在同样工况下，沙漠空气滤清器的保养周期和使用寿命较普通产品可延长2-3倍。

沙漠空气滤清器的缺点是进气阻力大，滤清效率不及普通纸质空气滤清器，且外形尺寸大，给整车布置带来了一定的局限。

(2)中冷器部件 中冷器部件由中冷器、中冷器进气钢管、中冷器出气硅胶管、硅胶软管接头、T形抱箍及连接螺栓、螺母、垫圈等零部件组成，如图3-42所示。中冷器用于降低发动机的进气温度，以提高进气密度。中冷器一般由铝合金材料制成。按照冷却介质的不同，常见的中冷器可以分为风冷式（也称为空对空冷却）和水冷式两种。图3-42所示中冷器部件是重型载货汽车采用的风冷式中冷器（也称为空对空冷却）部件结构的分解。

图3-42 中冷器部件结构的分解

1—中冷器 2—T形抱箍 3—中冷器出气硅胶管 4—A型蜗杆传动式软管卡箍 5、14—硅胶软管接头 6—中冷器进气钢管 7—中冷器进气管支架 8—U形螺栓 9—平垫圈 10、13—弹簧垫圈 11—六角头螺母 12、16—六角头螺栓 15—大垫圈

LNG载货汽车普遍采用风冷式中冷器，利用外界空气（汽车行驶中空气对流）对通过中冷器的空气进行冷却。优点是整个冷却系统的组成部件少，结构比水冷式中冷器相对简单。缺点是冷却效率比水冷式中冷器低，一般需要较长的连接管路，空气通过阻力较大。

1）中冷器进气管。中冷器进气管可将在涡轮增压器中压缩的高温空气送入中冷器冷却，随着对增压器系统耐热性能要求的提高，中冷器进气管常采用组合形式（图3-43），所用材料为不锈钢管和硅胶管，不锈钢管为主要气流通道，硅胶管用于中冷器与中冷器进气管之间的过渡连接。不锈钢管与硅胶管的这种组合形式，可以避免因中冷器进气硅胶管过长，在发动机工作时因不能承受其工作压力，而使中冷器进气硅胶管产生破裂。另外，由于涡轮增压器中含有润滑油，所以对中冷器硅胶进气管耐油性也有一定的要求。

若硅胶管太长，中间又未用钢管组合连接，则硅胶管极易产生裂纹。图3-44所示是由于进气硅胶管较长，不能承受发动机的工作压力而出现破裂。

图3-43 中冷器组合进气管

图3-44 进气硅胶管破裂

2)中冷器出气管。中冷器出气管可将中冷器冷却后的空气送入发动机混合器。与中冷器组合进气管相同，中冷器出气管采用组合形式，材料为不锈钢管和硅胶管，硅胶管用于中冷器与中冷器出气管之间的过渡连接。硅胶管不能过长，能满足两钢管连接即可，以避免凶中冷器出气硅胶管过长，在发动机工作时不能承受发动机的进气压力，而致使中冷器出气硅胶管产生破裂。另外，由于涡轮增压器中含有润滑油，所以对中冷器硅胶出气管的耐油性也会有一定的要求。

3.进气冷却

为了保证进入发动机气缸的进气量，必须要提高进气压力，同时，还要对进气进行冷却。增压、中冷是目前载货汽车普遍采用的提高进气压力、降低进气温度的方式。

新鲜空气经空气滤清器过滤后，进入涡轮增压器压气机进气口，经增压后，从压气机出气口进入中冷器进气管道，此时，空气密度增加，温度升高。涡轮增压器压气机出口的温度为155～180℃，经过较长的进气管道，增压后的新鲜空气流至中冷器进气口端时，温度略有降低，此时温度下降5～10℃。

增压后的新鲜空气进入中冷器冷却后，空气从中冷器出气口出来，温度降低至50～60℃，进入发动机混合器与LNG汽化成气态的天然气混合，经电子节气门进入发动机燃烧室点火燃烧。

表3-1、表3-2是JNP4250N LNG载货汽车配装YC6MK340N-40发动机经中冷器冷却前、冷却后的进气温度试验数据。

从表中可看出：

1)当发动机在最大转矩点运转时，中冷器冷却温度降低114.4℃。

2)当发动机在最大功率点运转时，中冷器冷却温度降低124.4℃。表中试验数据是测量10个测量点，最后取其平均值。

表3-1 中冷前、中冷后温度数据（最大转矩转速）

注：从表3-1可看出，中冷后温度差值为174.4℃-60.0℃=114.4℃。

表3-2 中冷前、中冷后温度数据（最大功率转速）

注：从表3-2可看出，中冷后温度差值为183.4℃-59.0℃=124.4℃。

4.进气系统设计注意事项

设计中冷器进出气管时，应当做到弯道要少，且弯道的半径尽可能大，良好的发动机进气通道设计是减小进气阻力，提高进气量的重要保证。与此同时，在设计整车进气系统时，还应通过采用大流量的空气滤清器，大口径或多支进气管的形式，以达到提高进气流速、增大进气流量的目的，这是提高汽车动力性能的重要措施。通过使用不锈钢进气管、打磨进气歧管内壁焊缝等措施，可以增高管壁的光滑程度，以提高气体的流动速度，降低进气阻力。